馮 戰(zhàn)，陳文強(qiáng)，陳 磊，陳 帥

（北京航天飛行控制中心，北京 100094）

在衛(wèi)星地面測控系統(tǒng)中，對無線電頻譜的實(shí)時(shí)監(jiān)視至關(guān)重要，測控信號的實(shí)時(shí)頻譜能幫助崗位人員及時(shí)獲取測控信號的狀態(tài)，并輔助判斷地面站測控天線和衛(wèi)星當(dāng)前的通信及工作狀況。目前國內(nèi)各地面測控站的頻譜監(jiān)視系統(tǒng)多，主流通過中頻矩陣切換與多臺頻譜儀的組合來進(jìn)行多通道監(jiān)視[1]，整套系統(tǒng)精度高，但所需硬件設(shè)備數(shù)量多，價(jià)格昂貴；部分解決方案采用ARM 軟件、高性能DSP（Digital Signal Processing）、FPGA（Field Programmable Gate Array）等分立模塊實(shí)現(xiàn)頻譜采集、處理、分析單元設(shè)計(jì)，結(jié)合多路信號選擇矩陣，通過與微機(jī)交互進(jìn)行顯示[2]。軟件無線電（Software-Defined Radio,SDR）于90 年代在美國提出，其將無線通信中難以更改的固件跳過，依托統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的硬件，在軟件中對信號進(jìn)行處理。軟件無線電的發(fā)展為低成本、可拓展的頻譜監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種新思路?；谲浖o線電的低研發(fā)成本的射頻硬件系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用于電磁監(jiān)測領(lǐng)域[3]、射頻識別[4]、無線通信[5-6]、信號處理[7]等各類通信領(lǐng)域。

該文針對衛(wèi)星地面測控站的頻譜監(jiān)視需求，研究了一種基于通用軟件無線電硬件外設(shè)USRP（Universal Software Radio Peripheral）及GNU Radio 軟件開發(fā)平臺的一種多通道、可拓展實(shí)時(shí)頻譜監(jiān)視系統(tǒng)。傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺采用固化的硬件設(shè)施來實(shí)現(xiàn)，因此缺乏靈活性；采用軟件仿真工具如Matlab/Simulink 則無法直觀體驗(yàn)，難以驗(yàn)證系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)可行性[8]。在實(shí)際工作中,USRP 扮演無線通信系統(tǒng)中數(shù)字基帶和中頻處理的角色，所有的數(shù)字變頻、采樣和插值等高速信號處理操作都在FPGA 上完成,其余的基帶信號編碼、調(diào)制和解調(diào)等數(shù)據(jù)處理由計(jì)算機(jī)CPU 完成。USRP 與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，極大地降低了系統(tǒng)的成本[9-10]。該系統(tǒng)可根據(jù)需求靈活配置監(jiān)測點(diǎn)，具有模塊化、實(shí)用性、擴(kuò)展性、可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

同一地面站在具備多副測控天線的條件下，可跟蹤多個航天器，航天器測控信號包括上行遙控及下行遙測，因此每次跟蹤所需監(jiān)視的信號數(shù)量較多且信號的監(jiān)視點(diǎn)不一致。測控天線所使用的無線電頻段包括S 頻段、X 頻段及Ku/Ka 頻段，可通過變頻器統(tǒng)一變到中頻信號接入上、下行矩陣。地面站設(shè)備示意圖如圖1 所示，在多副天線跟蹤多個航天器時(shí)，可在變頻器、上行矩陣、下行矩陣或基帶上根據(jù)用戶需求設(shè)置多個監(jiān)測點(diǎn)。

圖1 地面站設(shè)備示意圖

頻譜監(jiān)視系統(tǒng)需完成的功能包括：1）實(shí)時(shí)監(jiān)測遙控、遙測信號，并可調(diào)整分辨率、監(jiān)視帶寬、掃描時(shí)間等參數(shù)來觀測信號的細(xì)節(jié)；2）對頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及回放；3）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測及操作；4）當(dāng)信號功率波動超過閾值時(shí)，可進(jìn)行聲光告警。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

軟件無線電自1992 年由Jeo Mitola 提出以來，經(jīng)過了長足發(fā)展，跳出了傳統(tǒng)將硬件作為設(shè)計(jì)核心的限制，強(qiáng)調(diào)以開放的最簡硬件作為通用平臺，盡可能地用可升級、可重配置的應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線電功能[11-12]。軟件無線電的基本思想就是使寬帶的A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器最大程度上與天線靠近，以便將接收到的模擬信號盡早數(shù)字化，然后通過一個接口標(biāo)準(zhǔn)化、功能模塊化的通用硬件平臺上加載不同的軟件來實(shí)現(xiàn)無線電臺的各種功能，并通過軟件分模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)方法、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式、信號檢測及識別等功能。軟件無線電成功地為多體制、多標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)間的兼容與互通提供了切實(shí)有效的解決方案。軟件無線電作為新一代的無線電系統(tǒng)，具有成本集中、結(jié)構(gòu)開放、功能靈活的特點(diǎn)。由于軟件無線電系統(tǒng)內(nèi)部的模塊化，系統(tǒng)的各種功能相對獨(dú)立，具有系統(tǒng)升級方便，功能可擴(kuò)充性強(qiáng)的特點(diǎn)，軟件無線電是未來無線電通信的發(fā)展方向[13]。

2.1 軟件平臺設(shè)計(jì)

GNU Radio 是一個開源的軟件開發(fā)平臺，由Eric Blossom 發(fā)起，主要工作在Linux 系統(tǒng)下，通過與通用硬件平臺的結(jié)合，在計(jì)算機(jī)上利用軟件來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)只有硬件才能實(shí)現(xiàn)的無線電通信的各種功能。GNU Radio 為用戶預(yù)先封裝了上百個功能模塊，主要包括信源信宿、濾波、調(diào)制解調(diào)、編碼譯碼等[8]，而且還提供了圖形界面工具，用戶可以直接從右邊模塊窗口選擇需要的功能模塊，添加到左邊的流圖中,根據(jù)信號流連接各模塊，設(shè)計(jì)、搭建信號流圖，完成無線電通信的部分功能。另外，還可以根據(jù)需求靈活地加載第三方或者自己編寫的功能模塊，以滿足更復(fù)雜的需求。通過合理地選擇和連接各個模塊，信號便以流的方式在各個模塊中傳遞。在圖形用戶界面方面，GNU Radio 為用戶提供了豐富的組件，例如示波器、頻譜分析儀、瀑布圖等。

2.2 硬件平臺設(shè)計(jì)

USRP 是由Ettus Research 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的通用軟件無線電硬件外接設(shè)備。發(fā)展至今，已經(jīng)衍生出很多不同的版本，該系統(tǒng)采用的是型號為N210 的硬件平臺。USRP 的作用是完成信號的采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過內(nèi)部的FPGA 完成信號的抽取、內(nèi)插等初步處理。USRP 主要由一塊母板和一塊可以覆蓋不同頻率的子板組成，母板上主要包括時(shí)鐘的產(chǎn)生和同步、FPGA、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、千兆以太網(wǎng)口等模塊。采用WBX寬帶子板，其頻率覆蓋范圍為50 MHz～2.2 GHz，滿足對測控信號中頻頻段的監(jiān)視需求。USRP N210 接收路徑上有兩個14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率是100 MS/s。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

結(jié)合軟硬件平臺特點(diǎn)，根據(jù)所設(shè)計(jì)頻譜實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的需求，提出以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：

1）低成本：為了降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和研制成本，便于大規(guī)模安裝、部署和維護(hù)，系統(tǒng)組件盡可能采用體積小巧、技術(shù)成熟的已有商品。2）大帶寬：系統(tǒng)應(yīng)能對盡可能大的頻段范圍進(jìn)行頻譜監(jiān)測。3）實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)應(yīng)能夠通過控制單元實(shí)時(shí)控制部署在不同位置的節(jié)點(diǎn)，以對信號頻段進(jìn)行監(jiān)測，并將各個節(jié)點(diǎn)的USRP 采集到的信號實(shí)時(shí)發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。4）靈活性：通過操作軟件的方式靈活配置系統(tǒng)功能，以滿足不同場景下的應(yīng)用需求；同時(shí)可以通過軟件升級的方式，為系統(tǒng)添加新的功能[14]。

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，N210 的外接網(wǎng)口可以提供千兆的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此使用基于網(wǎng)絡(luò)的硬件體系結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，射頻前端、射頻-中頻變頻器、多臺USRP 前端、交換網(wǎng)絡(luò)和通用計(jì)算機(jī)構(gòu)成整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。一個完整的USRP 設(shè)備內(nèi)部由兩部分結(jié)構(gòu)組成：一是集成多種高速信號處理芯片的母板，二是包含發(fā)射和接收模塊的子板。電磁信號通過變頻后成為中頻信號輸入給USRP 平臺的子根的接收模塊[15]，由USRP 完成信號的采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將信息傳遞給交換網(wǎng)絡(luò)。該結(jié)構(gòu)用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成計(jì)算機(jī)群作為運(yùn)算處理平臺，計(jì)算機(jī)直接通過消息傳遞實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，用協(xié)同計(jì)算方案進(jìn)行信號處理，為軟件無線電平臺的信號處理提供了充足的算例，并且具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性和靈活性。

圖2 基于交換網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺

在上述基于網(wǎng)絡(luò)的硬件體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，考慮到現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境中必須同時(shí)監(jiān)視多路信號，此外，設(shè)備機(jī)房與監(jiān)控機(jī)房經(jīng)常距離較遠(yuǎn)，根據(jù)此實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一種分布式、多通道頻譜監(jiān)視系統(tǒng)，其硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 分布式、多通道頻譜監(jiān)視系統(tǒng)

USRP 與變頻器或矩陣通過同軸電纜連接，頻譜信號輸入U(xiǎn)SRP 并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)USRP 處理后形成頻譜數(shù)據(jù)，可以利用以太網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)送到處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理解析[16]。多個USRP 接入同一個交換機(jī)，交換機(jī)與監(jiān)控機(jī)房可通過光纖或網(wǎng)線連接，實(shí)現(xiàn)頻譜信號的遠(yuǎn)距離傳輸。而多個USRP 接入同一網(wǎng)絡(luò)，為了區(qū)分不同的信號源，為不同的USRP 燒制不同的IP 地址，通過IP 地址進(jìn)行區(qū)分。控制處理計(jì)算機(jī)工作在Ubuntu 系統(tǒng)下，可以通過命令為不同的USRP 燒制唯一的IP 地址。每臺USRP 的基本配置如圖4 所示，其中包含了IP 地址、網(wǎng)管、MAC 地址、硬件版本信息、時(shí)鐘源等參數(shù)。

圖4 USRP硬件配置

由于不同USRP 平臺對應(yīng)的頻譜信號不同，因此需在GNU Radio 上對Source 模塊進(jìn)行相應(yīng)配置，主要包括設(shè)備地址、采樣率、中心頻點(diǎn)等參數(shù)，需根據(jù)輸入信號的特征設(shè)置合適的頻點(diǎn)、帶寬及分辨率，這樣在顯示計(jì)算機(jī)上才能看到合適的頻譜呈現(xiàn)，設(shè)置界面如圖5 所示。

圖5 USRP Source相關(guān)配置界面

將USRP 送來的原始數(shù)據(jù)傳給信號控制處理計(jì)算機(jī)，利用GNU Radio軟件對信號進(jìn)行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformer，F(xiàn)FT）處理得到原始信號的頻譜圖，處理后的數(shù)據(jù)通過UDP 數(shù)據(jù)包分別發(fā)送至頻譜監(jiān)視計(jì)算機(jī)、存儲回放計(jì)算機(jī)進(jìn)行頻譜監(jiān)視和數(shù)據(jù)存儲。軟件對信號的處理編輯界面如圖6 所示，任一模塊雙擊后可以進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，重新設(shè)置信號處理的相關(guān)參數(shù)，其中包括USRP Source 信號采集模塊、FFT 處理模塊及實(shí)時(shí)頻譜計(jì)算機(jī)的通信參數(shù)設(shè)置和頻譜回放的通信參數(shù)設(shè)置四部分。圖6中Source模塊中可設(shè)置采樣率、信號帶寬、信道、中心頻點(diǎn)的參數(shù)，F(xiàn)FT 模塊中可設(shè)置傅里葉變換的參數(shù)，而最后兩個模塊的通信參數(shù)設(shè)置保證了與實(shí)時(shí)頻譜軟件及回放軟件的信息交互，其中包括通信IP及端口號。

圖6 信號處理軟件編譯模塊

頻譜監(jiān)視及存儲回放軟件通過C++編程實(shí)現(xiàn)，工作在Windows 系統(tǒng)下，同時(shí)為了保證頻譜顯示與存儲回放程序獨(dú)立運(yùn)行，留給存儲程序足夠的磁盤空間，因此將兩程序分別放在兩臺計(jì)算機(jī)上。頻譜監(jiān)視軟件可以通過配置文件，更改其監(jiān)視通道數(shù)、通道名稱、顯示帶寬及異常告警參考電平等，同時(shí)該軟件還具備頻譜最大最小保持功能。圖7 所示為同時(shí)監(jiān)視6 路頻譜信號的顯示界面，每一路通道表示不同監(jiān)測點(diǎn)所監(jiān)視的不同信號。

圖7 頻譜顯示界面

圖8 為頻譜回放軟件界面圖，頻譜回放軟件可以選擇需要回放的通道，加載相應(yīng)的存儲數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)間定位查找或直接拖動進(jìn)度條查找相應(yīng)時(shí)刻的頻譜圖像，如圖8 所示，為某通道的回放界面。

4 結(jié)束語

該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套無線電頻譜監(jiān)視系統(tǒng)，同時(shí)具備多路信號的實(shí)時(shí)監(jiān)視、存儲及回放功能，該系統(tǒng)利用USRP 軟件無線電硬件平臺和GNU Radio軟件平臺以軟件無線電的方式搭建，經(jīng)過測試及安裝使用得出，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性好，回放流暢，滿足日常工作的需要。此外，系統(tǒng)靈活，結(jié)構(gòu)通用且模塊化，實(shí)用性、擴(kuò)展性、可移植性強(qiáng)，易于改進(jìn)和擴(kuò)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。